Als je natrium of kalium in water gooit, ontploft in eerste instantie het metaal zélf. De gevormde waterstof knalt pas later, melden Tsjechische onderzoekers in Nature Chemistry.

Het verklaart waarom de reactie tussen metaal en water überhaupt zo op hol kan slaan. Zoals bekend ontstaat hierbij natriumhydroxide en waterstof, plus een hoop warmte, en iedereen nam automatisch aan dat die waterstof ontbrandt en zorgt voor het fameuze knaleffect. Alleen klopt die redenering niet helemaal. Als op het metaaloppervlak een gas ontstaat, en bovendien water verdampt door de hitte, dan staat dat de aanvoer van vers water naar het oppervlak in de weg en verwacht je dat de reactie zichzelf min of meer smoort.

Pavel Jungwirth en collega’s van de academie van wetenschappen in Praag hebben nu het gebeuren voor het eerst gefilmd met hogesnelheidscamera’s die meer dan 6.000 beelden per seconde konden schieten. Als metaal gebruikten ze een legering van 90 procent kalium en 10 procent natrium, die bij kamertemperatuur vloeibaar is zodat ze hem met een pipet in het water konden druppelen. Onder een argonatmosfeer om het oppervlak ‘schoon’ en oxidevrij te houden.

Wat ze toen zagen, was dat na 0,35 milliseconden een soort pieken uit het metaal lijken te worden gelanceerd met een geschatte versnelling van 10.000 m/s². Ze zijn de gasproductie daarmee ruim vóór. En als je goed kijkt zie je dat die pieken soms ook weer opsplitsen in nieuwe pieken zodat je een soort dendrietstructuur krijgt.

Een tweede aanwijzing was dat je rond die pieken een blauwpaarse weerschijn leek te zien.

Computersimulaties met een cluster van 19 natriumatomen wezen uit wat er precies gebeurt. De atomen op het oppervlak verliezen binnen een paar picoseconden allemaal een elektron aan het inkomende water. Dat is te snel om het tekort van binnenuit aan te vullen. Door de elektrostatische afstoting tussen de ontstane ionen onderling vliegt vervolgens het hele oppervlak uit elkaar; de auteurs noemen het een ‘Coulomb-explosie’. Het proces maakt een nieuw stuk oppervlak vrij, waarop de geschiedenis zich kan herhalen.

Op dat moment worden de elektronen alleen nog maar omringd door watermoleculen, en hebben ze er nog niet mee gereageerd. Dan krijg je inderdaad een blauwe gloed. Pas daarna krijg je de waterstofvorming, en wordt het explosieve effect nog erger.

Het verklaart tevens waarom er niet zo veel hoeft te gebeuren om het proefje te laten mislukken: een klein beetje oppervlakte-actieve stof in het water, en het metaaloppervlak wordt al voldoende afgeschermd om de Coulomb-explosie te voorkomen.

bron: Nature